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Meßgerät zur Feststellung und Anzeige des Mengenverhältnisses von
zwei strömenden Medien, unabhängig von der Größe der Mengenströme Die Erfindung
betrifft ein Meßgerät zur Feststellung und Anzeige des Mengenverhältnisses von zwei
strömenden Medien, unabhängig von der Größe der Mengenströme, durch Vergleich der
von den beiden Mengenströmen abgenommenen Differenzdrücke.
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Bei chemischen Prozessen, in der Verfahrenstechnik, bei Mischungsproblemen
u. dgl. tritt vielfach das Bedürfnis auf, zwei Mengenströme miteinander zu vergleichen,
beispielsweise wenn die strömenden Medien in einem bestimmten Mengenverhältnis zueinander
stehen sollen. Man kann dies durch Anordnung zweier z.B. nach dem Prinzip der Strömungsmessung
arbeitender Meßeinrichtungen bewerkstelligen. So sind Ringwaagensysteme bekannt,
die dazu dienen, ein fest eingestelltes Verhältnis zweier Mengenströme konstant
zu halten. Zum Beispiel hat man hierzu zwei Ringwaagenhohlringe mit entgegengesetzt
wirkenden Drehmomenten auf einer gemeinsamen Welle starr miteinander verbunden.
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Dabei kommt die Differenz der beiden Drehmomente zur Wirkung. Bei
einem anderen System sind zwei Ringwaagen so angeordnet, daß ihre beiden Zeiger
bei dem gewünschten, fest eingestellten Mengenverhältnis übereinanderstehen müssen,
wobei aber bei Abweichungen nicht ohne weiteres das neue Mengenverhältnis ablesbar
ist, während die gewollte Einstellung eines neuen Mengenverhältnisses nur durch
Auswechseln von Bauelementen möglich ist.
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Ferner sind Ringwaagensysteme bekannt, bei denen zwei Ringwaagenhohlringe
über zwei einarmige oder einen zweiarmigen Hebel miteinander gekoppelt sind. In
beiden Fällen ist das jeweilige fest eingestellte Hebelarmverhältnis, solange sich
die Systeme im Gleichgewicht befinden, ein Maß für das Verhältnis der Verstellkräfte
der beiden Hohlringe, d h. für das Verhältnis der Mengenströme. Bei einer Abweichung
dieses Verhältnisses vom Sollwert geraten die Systeme aus dem Gleichgewicht. Dadurch
werden Regelvorgänge ausgelöst, die durch Einwirkung auf die Mengenströme das ursprüngliche
Verhältnis wiederherstellen. Bei Ausbleiben der zurückstellenden Regelvorgänge würden
sich diese Systeme bis in ihre nur konstruktiv bedingten Endlagen verstellen, da
sie nicht in der Lage sind, selbsttätig eine neue, dem geänderten Verhältnis der
Verstellkräfte entsprechende Gleichgewichtslage einzunehmen, d. h. ein neues Hebelarmverhältnis
herzustellen, das auch das Maß der Abweichung vom Sollwert bzw. das neue Mengenstromverhältnis
erkennen lassen würde. Die Herstellung einer neuen, geänderten Gleichgewichtslage
ist nur durch Eingriff
in das Hebelarmverhältnis von außen möglich, wodurch dann
der Sollwert des Mengenverhältnisses beeinflußt wird.
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Solche Systeme sind somit zur fortlaufenden Anzeige sich verändernder
Mengenstromverhältnisse nicht geeignet.
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Demgegenüber löst das Gerät nach vorliegender Erfindung die Aufgabe,
ein auch veränderliches Mengenverhältnis zweier unter beliebigen Drücken strömender,
gleichartiger oder ungleichartiger Medien, unabhängig von der Größe der Mengenströme,
fortlaufend über einen nur durch konstruktive Bedingungen begrenzten Meßbereich
festzustellen und mit einer einzigen Anzeige, mit oder ohne Registrierung, unmittelbar
anzugeben. Auch der Vergleich zweier getrennter Anzeigen, z. B. Zeigerstellungen,
entfällt.
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Die erfinderische Lösung der Aufgabe besteht darin, daß das Hebelarmverhältnis
des zweiarmigen Hebels sich selbsttätig dem veränderlichen Verhältnis der Verstellkräfte
der Hohlringe anpaßt. Dadurch befindet sich das System in jeder Stellung im Gleichgewicht,
wobei das jeweilige Hebelarmverhältnis über eine Zeigerstellung den gesuchten Meßwert
angibt.
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Die hierzu verwendeten Ringwaagenhohlringe müssen sich im indifferenten
Gleichgewicht befinden, damit bei verschiedener Belastung, d. h. verschiedener Höhe,
aber gleichbleibendem Verhältnis der Differenzdrücke zueinander das Verhältnis der
an den Hebelenden wirkenden Kräfte nicht durch konstante additive Kräfte, hervorgerufen
etwa durch exzentrische Schwerpunkte der Hohlringe, beeinflußt wird. Ein solcher
Ring hat auch unter der Einwirkung
eines Differenzdruckes keine
ausgezeichnete Stellung. Das an ihm bei Belastung auftretende Drehmoment bleibt
bei jedem Verdrehungswinkel das gleiche.
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Läßt man die z. B. am Ringumfang abgenommenen Verstellkräfte zweier
solcher, mit je einem Differenzdruck beaufschlagter Hohlringe auf die beiden Enden
eines zweiarmigen Hebels wirken, dann wird sich das ganze System in Ruhe befinden,
wenn der Drehpunkt des Hebels so liegt, daß das Verhältnis der beiden Hebelarme
dem Verhältnis der beiden an ihren Enden wirkenden Kräfte umgekehrt entspricht.
Gleiche geometrische Abmessungen der beiden Hohlringe vorausgesetzt, entspricht
aber das Verhältnis der Umfangskräfte der Hohlringe dem Verhältnis der ihnen zugeführten
Differenzdrücke. Werden beide Mengenströme bei sonst gleichen Bedingungen um einen
gleichen Faktor verändert, so verändern sich auch beide Umfangskräfte um einen gleichen
Faktor, beispielsweise um das Vierfache bei Verdoppelung beider Mengenströme, da
die Menge pro Zeiteinheit proportional dem Wurzelwert aus dem Differenzdruck ist.
Das bedeutet, daß das Verhältnis der beiden Umfangskräfte zueinander sich dabei
nicht ändert und somit auch das geschilderte System weiter in seiner eingenommenen
Gleichgewichtsstellung verharrt. Die Lage des Hebeldrehpunktes ist somit unabhängig
von der Menge der beiden fließenden Medien und nur bedingt durch deren Verhältnis
zueinander. Sie kann in Verbindung mit einer Skala über den ganzen konstruktiv möglichen
Mengenbereich hinweg zur Anzeige beispielsweise des prozentualen Mengenverhältnisses
der beiden strömenden Medien dienen.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Verlagerung des Hebeldrehpunktes bei
Anderung des Mengenverhältnisses der beiden strömenden Medien selbsttätig nach dem
folgenden Prinzip: Lagert man einen z. B. zylindrisch oder sonstwie geeignet geformten
Körper drehbar exzentrisch zu seiner Längsachse und übt auf seinen Umfang zwei senkrecht
zur Drehachse wirkende tangentiale Kräfte aus, so, daß die eine ein rechtsdrehendes,
die andere ein linksdrehendes Drehmoment ergibt, dann stellt sich dieser Körper,
im folgenden als Exzenter bezeichnet, in eine Gleichgewichtslage ein. Befindet sich
der Exzenter selbst im indifferenten Gleichgewicht, leistet also von sich aus keinen
zusätzlichen Beitrag zu einer der beiden Kräfte oder zu beiden, dann ist diese Gleichgewichtslage
dann hergestellt, wenn das rechtsdrehende Drehmoment gleich dem linksdrehenden ist,
d. h. wenn die rechtwinkeligen Abstände der beiden angreifenden Kräfte von der Drehachse
sich umgekehrt zueinander verhalten wie die beiden zugehörenden Kräfte. Ändert sich
jedoch das Verhältnis der beiden tangential angreifenden Kräfte, dann wird der Exzenter
so weit aus seiner vorherigen Lage um seinen exzentrischen Drehpunkt ausschwenken,
bis die Gleichheit der beiden Drehmomente wiederhergestellt ist. Die neue Stellung
ist nur bedingt durch das neue Kräfteverhältnis.
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Im vorliegenden Fall stellen die Verstellkräfte bzw. Umfangskräfte
der beiden von Differenzdrücken beaufschlagten Hohlringe die an dem Exzenter angreifenden
Tangentialkräfte dar. Die Verbindung zwischen Hohlringen und Exzenter zum Zwecke
der Kraftübertragung kann beispielsweise hergestellt werden durch umschlungene Schnüre
oder Bänder
oder auch durch starre Elemente, wie z. B. Zahnkränze und Zahnstangen,
deren Eigengewichte aber auszugleichen sind, damit sie dem System keine additiven,
die Anzeige verfälschenden Kräfte zuführen.
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A b b. 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung des Systems und
gleichzeitig ein Ausführungsbeispiel. 1 und 2 sind zwei Hohlringe, 3 und 4 sind
als Schnüre oder Bänder gedachte Kraftübertragungselemente, 5 ein Exzenter mit dem
Drehpunkt 6, 7 ein auf dem Exzenter befestigter Zeiger, 8 eine Anzeigeskala. h und
h2 sind die in die Hohlringe eingeleiteten Differenzdrücke, 11 und 4 die am Exzenter
wirksamen Hebelarme.
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In den A b b. 1 und 2 sind beide Hohlringe mit den gleichen geometrischen
Abmessungen gezeichnet.
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Es sei ferner beispielsweise vorausgesetzt, daß alle an der Bildung
der Differenzdrücke beteiligten Faktoren durch meßtechnische Maßnahmen so ausgeglichen
sind, daß gleiche in der Zeiteinheit fließende Mengen bei beiden zu vergleichenden
Mengenströmen gleiche Differenzdrücke ergeben. Dann treten, wie in A b b. 1 dargestellt,
an den Hohlringen auch gleiche Umfangskräfte K1 und K2 auf, und der Exzenter S stellt
sich in seine Mittellage ein, wobei die beiden Hebelarme lt und 4 gleich lang sind.
Die Skala 8 kann dann an der Stelle, an der der Zeiger 7 steht, beispielsweise die
Beschriftung 50/50 ovo tragen.
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Die tatsächlich strömenden Mengen zeigt das Gerät also nicht an.
Sie sind nur erkennbar an den in den Hohlringen herrschenden Differenzdrücken und
an den in den Übertragungselementen 3 und 4 herrschenden Zugspannungen.
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In Abb. 2 ist ht dreimal so groß wie h2 und damit auch Kt dreimal
so groß wie K2. Exzenter 5 stellt sich infolgedessen so ein, daß Hebelarm 12 dreimal
so lang ist wie Hebelarml Die Mengenströme verhalten sich dann unter den gleichen
Voraussetzungen wie oben wie g: : oder wie 1: 1,73, so daß der Zeiger rund 37 und
63 0/o anzeigt. Hierbei müssen beide Hohlringe, bedingt durch ihre Anordnung und
durch das linksdrehende Ausschwenken des Exzenters, eine Rechtsdrehung vollziehen,
der Hohlring 2 gegen den auf seine Trennwand wirkenden resultierenden Druck. Dies
ist ohne weiteres möglich, da, wie schon dargelegt, die Verstellkräfte unabhängig
von den Verdrehungswinkeln der Hohlringe sind. Deswegen können sich auch eventuelle
Dehnungen der Übertragungselemente 3 und 4 zwat auf die Verdrehungswinkel der Hohlringe
auswirken, sie beeinflussen aber nicht die Stellung des Exzenters und verfälschen
somit nicht die Anzeige, solange die zur Abnahme der Zugkräfte von den Hohlringen
dienenden Bauelemente, z. B. Schnurrollen odet Zahnkränze, durch zu den Hohlringen
konzentrische Kreise oder Kreissegmente gebildet werden.
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Bei einem Mengenstromverhältnis von beispielsweise 9 : 1 muß unter
den obigen Voraussetzungen das Verhältnis der Hebelarme am Exzenter gleich 81: 1
sein. Damit solche extremen Fälle anzeigbar sind, muß der Drehpunkt des Exzenters
möglichst dicht an dessen Umfang liegen, er kann auch unmittelbar auf dem Umfang
liegen. In den Endstellungen wird der eine Mengenstrom 1000/o, der andere gleich
Null. Dessen Hohlring übt keine Zugkraft mehr aus. Damit der Exzenter sich dann
nicht überschlägt, wird seine Bewegungsmöglichkeit in
beiden Endstellungen
durch Anschläge begrenzt.
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Das Überschlagen des Exzenters wird mit Sicherheit durch die Anordnung
seines Drehpunktes außerhalb des Umfanges vermieden.
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Soll das Gerät in solchen ungünstigen Bereichen arbeiten und ist
nicht der ganze Meßbereich von o bis 1000/o bzw. von 100 bis 0 O/o erforderlich,
dann lassen sich folgende vorteilhafte Maßnahmen treffen: Bei einer Vergrößerung
des Querschnitts des Hohlringes wird auch die Umfangskraft vergrößert. Beispielsweise
bewirkt eine Verdreifachung des Durchmessers des z. B. kreisförmig gedachten Querschnitts
eine Verneunfachung der Querschnittsfläche und damit der Umfangskraft. Weiter ist
es allein oder in Verbindung hiermit möglich, die auf den Exzenter zu übertragende
Zugkraft nicht am äußeren Umfang des Hohlringes, sondern an einem größeren oder
kleineren, mit ihm konzentrisch verbundenen Ring oder Ringsegment (Schnurrolle)
abzunehmen. Ist der Durchmesser dieses Ringes z. B. gleich dem halben Außendurchmesser
des Hohlringes, so wird die Zugkraft gegenüber der äußeren Umfangskraft verdoppelt.
In Verbindung mit der Verneunfachung der Querschnittsfläche ergibt das eine Verachtzehnfachung
der Zugkraft.
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Diese Maßnahmen sind an dem Hohlring vorzusehen, der mit dem geringen
Differenzdruck beaufschlagt werden soll. Entsprechendes im umgekehrten Sinne kann
aber auch an dem anderen Hohlring vorgenommen werden. Welches von beiden zweckmäßiger
ist, richtet sich nach der Größe des zulässigen Verdrehungswinkels jedes Hohlringes,
der durch das Maximum der in ihm auftretenden Druckdifferenz bedingt ist. Diese
wiederum ist von dem Maximum des zugeordneten Mengenstromes abhängig. Die Maßnahmen
kommen auch in Frage, wenn die meßtechnischen Voraussetzungen bei einem Medium oder
bei beiden geändert werden oder von vorneherein unterschiedlich sind.
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Ab b. 3 zeigt eine derartige Anordnung. Es ist dabei ein Mengenstromverhältnis
von 80: 20°/o = 8 : 2 angenommen. Die Differenzdrücke verhalten sich unter den obigen
Voraussetzungen wie 64 : 4 oder 16 : 1. Die Verneunfachung der Querschnittsfläche
des mit dem geringen Differenzdruck beaufschlagten Ringes 2 und die Halbierung des
Durchmessers der Schnurrolle 9 ebenfalls von Ring 2 gegenüber dem der Schnurrolle
10 von Ring 1 erhöhen die Zugkraft on Ring 2 auf das Achtzehnfache, so daß sich
nunmehr die Zugkräfte K1 : K2 wie 16 : 18 verhalten und der Exzenter sich auf ein
Hebelarmverhältnis ll :12 = :16 einstellt. Damit befindet sich der Anzeigewert 80/20
0/o annähernd in der Mitte der Skala und des Meßbereiches.
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Die Steigung der Skala selbst und ihre Krümmung werden durch die
Form des Exzenters (z. 13. zylindrisch wie in den Abbildungen, elliptisch, eiförmig,
symmetrisch oder unsymmetrisch), durch die Lage
seines Drehpunktes sowie durch zusätzliches
Zeigergestänge beeinflußt.
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Für das Prinzip der Erfindung ist die räumliche Anordnung der Hohlringe
ohne grundsätzliche Bedeutung, ebenso ob die Zugübertragungselemente nebeneinander
laufen oder sich kreuzen. Ebenso ist es nur konstruktiv bedingt, in welcher Richtung,
von den Hohlringen aus gesehen, der Exzenter angeordnet wird.
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Durch Anbringen von auch verstellbaren Kontakten od. dgl. am Exzenter
oder den Anzeigeelementen kann das Gerät auch mit Signaleinrichtungen versehen werden
oder für automatische Regelaufgaben Verwendung finden.